5.4. Ущільнення за поляризацією

Ущільнення потоків інформації за допомогою оптичних несучих, які мають лінійну поляризацію, називають ущільненням за поляризацією (PDM – Polarization Division Multiplexing). При цьому площина поляризації кожної несучої розташована під своїм кутом. Мультиплексування здійснюється за допомогою спеціальних оптичних призм, наприклад призм Рошона. На відміну від попереднього методу мультиплексування як середовище, за допомогою якого передається сигнал, може бути використане одномодове волокно. Проте, метод PDM може успішно застосовуватися лише у випадку, коли в середовищі відсутні локальні неоднорідності, вигини, які викликають локальну поляризаційну анізотропію. Отже, вказані причини, які впливають на замультиплексований сигнал, істотно обмежують такий метод ущільнення сигналу.

5.5. Багатохвильове ущільнення оптичних несучих (WDM)

Можна стверджувати, що подальше зростання пропускної здатності передавання даних на основі TDM обмежується не тільки технологічними складнощами при електричному часовому ущільненні, але й обмеженнями, що виникають внаслідок хроматичної дисперсії в ОВ (часове спотворення та руйнація імпульсу). Подальше нарощування пропускної здатності оптичного каналу зв’язку може бути здійснене за рахунок застосування іншого типу мультиплексування – багатохвильового мультеплексування несучих (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Ідея цього методу полягає в тому, що інформаційних цифрових потоків, кожен з яких переноситься на несучій з своєю довжиною хвилі та рознесений у просторі один відносно іншого за допомогою спеціального пристрою – хвильового мультиплексору об’єднуються в один оптичний потік . Згодом цей потік вводиться у волокно та передається за допомогою оптичного кабелю. На приймальній стороні проводиться обернена операція демультиплексування.

Згідно з Рекомендаціями G.692, до систем передавання з WDM висуваються вимоги сумісності таких систем з інтерфейсами існуючих однохвильових систем SDH. Діапазон робочих довжин хвиль систем із WDM, які регламентуються цими рекомендаціями знаходяться в 3-му вікні прозорості (1530 –1565 нм). У термінах частот коливання цей регламентований діапазон знаходиться у межах 192.1 – 196.1 ТГц (ТГц = 10¹² Гц) із кроком у 100 ГГц. У термінах довжин хвиль цей діапазон обмежений проміжком 1528.77 – 1560.61 нм із кроком 0.8 нм. Стандарт складається з 41 довжини хвилі, тобто розрахований на 41 спектральний канал. Проте на практиці використовують лише 39 спектральних каналів, оскільки крайні канали знаходяться на схилах частотної характеристики оптичних підсилювачів, які використовують у системах із WDM.

Останнім часом спостерігається тенденція до зменшення частотного інтервалу між спектральними каналами до 50 і навіть до 25 ГГц. Природно, що застосування таких систем значно збільшить можливості систем з WDM. Таке ущільнення отримало назву щільного хвильового ущільнення (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing).

Зауважимо, що іноді в літературі абревіатуру DWDM використовують і для систем з кроком по частоті 100 ГГц.

Ж

Рис. 5.5.1

Розглянемо два сусідніх канали, один з яких має центральну частоту 192.15 ТГц, а інший 192.2 ТГц. Сьогодні в оптичному зв’язку застосовують лише один тип модуляції – модуляцію інтенсивності, яка аналогічна амплітудній модуляції сигналу в електричному каналі. Будемо вважати, що на обох каналах передаються цифрові потоки рівня STM-64, тобто потоки зі швидкостями 10 Гбіт/с. Припустимо, що спектр цифрового потоку STM-64 обмежується першою гармонікою тактової частоти 10 ГГц (на практиці це майже завжди виконується). Тоді оптичний спектр кожного каналу буде складатися з 3-х складових – центральної частоти та двох бокових і . Зауважимо, що багатохвильове (спектральне) ущільнення оптичних каналів аналогічне частотному ущільненню радіоканалів, або багатокабельних систем з аналоговим методом передавання. Тому для багатохвильових оптичних систем справедливі ті самі співвідношення, що й для частотного ущільнення згаданих систем, для яких захисний інтервал між двома сусідніми каналами не повинен бути меншим, ніж подвійна верхня частота модуляції каналу. Наведений рисунок ілюструє випадок, коли ця умова виконується. Тепер припустимо, що для 1-го каналу вона збільшилася на 10 ГГц, а для 2-го зменшилася на ту саму величину. Тоді інтервал між каналами складатиме 10 ГГц. У такому випадку, частотні позиції 2-х гармонік сигналів 1-го та 2-го каналу збігаються. Незважаючи на те, що ми нехтували їх величиною, за деяких умов вони можуть досягати певної істотної величини (принаймні в шумовому сенсі). Тоді одна і та сама частота для 2-х гармонік обох сигналів призводить до виникнення в них перехресних шумів. Отже, подібний зсув частоти (10 ГГц) недопустимий при передаванні сигналів. Частотний інтервал 10 ГГц відповідає інтервалу довжин хвиль =0.08 нм. Із розглянутого вище випливає, що для передавання потоків STM-64 методом DWDM при спектральних інтервалах 50 ГГц ширина спектрального інтервалу лінії випромінювання не повинна перевищувати величини близько 0.04 нм, а нестабільність оптичної частоти повинна бути не гірша, ніж величина приблизно 5 ГГц. Природно, що при переході до передавання цифрових потоків STM-16 і нижче відповідні величини можуть бути збільшені.

Вище згадувалося, що оптичні інтерфейси апаратури WDM і DWDM повинні бути сумісні з апаратурою SDH – STM-16 і STM-64. Разом з тим, згідно з Рекомендаціями G.957 для систем SDH допустимі значення параметрів на вихідних оптичних стиках (інтерфейсах) мають такі значення: ширина спектральної лінії 0.5 нм (для STM-16) і 0.1 нм (для STM-64), а центральна оптична довжина хвилі може набувати будь-якого значення з інтервалу 1530 – 1565 нм. Очевидно, якщо на оптичні входи мультиплексора системи WDM (DWDM) подати без перетворення сигнали з вихідних каналів систем SDH, то така система працювати не буде. Отже, на вході системи WDM (DWDM) повинен стояти певний пристрій, який виконує таке перетворення сигналів, щоб вони відповідали регламентованим Рекомендаціями G.692 параметрам. Такий пристрій отримав назву транспондера. Він має кількість оптичних входів і виходів, рівну кількості ущільнюваних оптичних сигналів. Узагальнена структура WDM-системи наведена на рис. 5.5.2.

Т

Рис. 5.5.2. Узагальнена структура WDM-системи:

1-7 і 13-18 – апаратура SDH; 7,11 – транспондери; 8,12 – мультиплексори; 9,10 – оптичні підсилювачі передавання й прийому відповідно

У системах DWDM з більшою кількістю каналів нерідко використовують індивідуальні підсилювачі для кожного хвильового каналу. У Такий спосіб на виході системи DWDM з багатою кількістю каналів у волокно вводиться велика потужність близько 10 мВт та більше. Як відомо (див. частину ІІ, п. 1.6), при таких потужностях можливі спотворення сигналу внаслідок нелінійних явищ в ОВ. Тому, враховуючи вплив таких явищ і вимоги безпеки для обслуговуючого персоналу, максимальна потужність, яка вводиться до волокна обмежується величиною +17 дБм (50 мВт) (Рекомендації G.692). Проте ця величина не остаточна та в кінцевому варіанті у відповідній Рекомендації вона збільшена до 23 дБм.

Окрім вищевказаних параметрів (сітки оптичних частот та максимальної потужності) встановлені також стандарти на структуру з’єднань ліній із WDM. Запропоновано три варіанти структурної побудови ліній:

• L (long) – довга лінія з пасивною ділянкою до 80 км і загальними втратами до 22 дБ. На основі таких ліній будуються лінії передавання довжиною до 640 км з кількістю проміжних оптичних підсилювачів до 7 штук;

• V (very) – дуже довга лінія з пасивною ділянкою до 120 км і загальними втратами до 33 дБ. На основі таких ліній будуються лінії передавання довжиною до 600 км з кількістю проміжних оптичних підсилювачів до 4 штук;

• U (ultra) – наддовга лінія, яка складається з однієї пасивній ділянки до 160 км і загальними втратами до 44 дБ.

У наведених варіантах з’єднань втрати в лінії компенсуються за рахунок встановлення оптичних підсилювачів. Разом з тим, довжина оптичної лінії визначається не тільки енергетичними втратами, але й спотворенням сигналу, що виникає внаслідок хроматичної дисперсії. Це обмеження долається за допомогою так званих компенсаторів хроматичної дисперсії. Компенсатори бувають дискретними та протяжними.

Основу дискретних компенсаторів складають решітки Брегга, які працюють як певні хвильові фільтри. Конструкція таких компенсаторів подібна до розглянутих вище спектральних демультиплексорів.

Протяжні компенсатори, як вже згадувалося при вивченні дисперсії, можуть бути побудовані на основі волокон з від’ємною дисперсією.

Як ілюстрації наведених вище варіантів оптичних ліній з DWDM на рисунку 5.5.3 зображені структурні схеми систем передавання, які випускаються корпорацією NEC (Японія)

Аналогічні системи (V – 3х33 дБ – 360 км) та (L – 8х22 дБ – 640 км) відповідно з двома та сьома підсилювачами виробляються фірмою LUCENT TECHNOLOGIES.

Зауважимо, що системи WDM працюють у діапазоні довжин хвиль 1530-1565 нм. Отже, особливу увагу при розробці та конструюванні таких систем треба приділяти розробці (вдосконаленню) оптичних підсилювачів, які повинні мати однаковий коефіцієнт підсилення у всьому цьому діапазоні.

У плані розв’язку цієї проблеми в літературі наводяться дані, згідно з якими фірмою PHOTONICS LAB. NTT ELECTRONICS CORPORATION (Японія), розроблений підсилювач з смугою пропускання 80 нм (розробка готова до впровадження) та 113 нм.

Т

Рис. 5.5.3 Структурні схеми побудови систем передавання:

OMUX – оптичний мультиплексор; BA (Booster Amplifier) – бустерний оптичний підсилювач; ILA – лінійний проміжний оптичний підсилювач; ODMUX – оптичний демультиплексор; PA – попередній оптичний підсилювач прийому

Одним з важливих моментів при розробці систем WDWM є проблема організації каналів для керування та передавання службових повідомлень. Згідно з вимогами для організації таких каналів до сітки каналів, що регламентовані відповідними Рекомендаціями ITU-T, додається ще один канал. З цією метою рекомендується використовувати одну з двох довжин хвиль – 1510 або 1625 нм – що лежать за межами пропускання ербієвого оптичного підсилювача та відповідної сітки.

Зауважимо, що для сучасних систем WDW крок по довжині хвилі не перевищує 0.8 нм (100 ГГц). Проте в ряді країн (США, Канада, Європа, Росія) прокладена велика кількість волоконно-оптичних кабелів на основі стандартного одномодового волокна (G.652). Для таких систем передавання запропонований метод багатохвильового ущільнення CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). У цих системах крок між спектральними каналами складає 20 нм і вони використовують 2-ге та 3-тє вікна прозорості. Хоча дані системи характеризуються великими енергетичними втратами, проте вони мають знижені вимоги до спектральних характеристик випромінювачів.